Kódy pro atomovou fyziku plazmatu

Miloslav Pekař, ČVUT FJFI 2010

Simulační atomové kódy Využívají výsledků atomových

strukturních kódů a rozptylových teorií a společně se statistickou fyzikou a fyzikou plazmatu popisují procesy v atomech plazmatu

Cílem je určit ionizaci a populaci energetických hladin atomů v plazmatu a pomoci při spektrální analýze

Dosažení cíle Vyřešení rychlostních rovnic pro každou hladinu

energie pro každý iont atomu včetně jeho ovlivnění okolním plazmatem

Vyžaduje kompletní set dat (detailní stavy en. hladin, rates atomových procesů ovlivňující distribuci populace na hladinách, …) – výpočetně velmi náročné

Kinetické modely jsou většinou postaveny na velmi malém počtu hladin, tak přesně jak je to možné, aby byly spektroskopické pozorovatelné dobře definovány

Modely plazmatu Znalost populace energetických hladin

atomů v plazmatu je klíčem k výpočtu parametrů plazmatu, např. vnitřní energie, partiční funkce, nebo stavové rovnice

Velmi důležité při analýze pozorovaného spektra a diagnostice plazmatu

Úzce svázáno s termodynamickými parametry jako teplota a hustota plazmatu

TE model 1 TE = Thermodynamic Equilibrium Všechny atomové procesy jsou

vybalancované odpovídajícími inverzními procesy

Za dané teploty T je distribuce populace určena Boltzmannovou statistikou a Sahovým ionizačním rozdělením

TE model 2 Hustota populace hladiny i v atomech s

ionizací z je dána Boltzmannovým rozdělením

Relativní počet atomů se dvěma po sobě jdoucími ionizačními stavy určuje Sahova rovnice

Radiační pole v TE plazmatu je izotropní a homogenní, intenzita dána Planckovou funkcí

LTE model LTE = Local Thermodynamic Equilibrium Radiační procesy nejsou vybalancované K popisu distribuce populace opět Boltzmannova a

Sahova rovnice Radiační pole ale není Planckovou funkcí, protože

nezávisí jen na lokálních podmínkách, ale i distribuci populace a pravděpodobnosti atomových přechodů

LTE stav nastává v plazmatu relativně vysoké hustoty a nízké teploty, kde srážkové procesy hrají mnohem důležitější roli než radiační, které neovlivňují distribuci populace

Coronal model Pokud je hustota elektronů nízká –

srážková deexcitace a tříčásticová rekombinace jsou zanedbatelné

Srážková ionizace a excitace jsou vyváženy radiační rekombinací nebo spontánním rozpadem

Předpokládáme maxwellovské rozdělení rychlostí elektronů

CR model (non-LTE) CR = Collisional – Radiative Distribuce populace v určitém bodě

nezávisí pouze na parametrech plazmatu v tomto bodě

Lokální distribuce populace je určena vyvážením srážkových a radiačních procesů

Nejobecnější model, široké využití Vyžaduje kvalitní atomová data

Formulace CR modelu Znalost populace hladin v atomu je

důležitá při spektrální analýze CR model je aplikován tam, kde je

populace hladin atomů v plazmatu určena srážkovými a radiačními procesy

Pro rychlostní rovnice populace hladin atomu potřebujeme znát radiační pole, které získáme z rovnice radiačního transportu

Rychlostní rovnice Časově závislá populace hladin atomů v

plazmatu je určena vícehladinovými srážkově – radiačními rovnicemi

Rychlostní rovnice pro atomovou hladinu i

je počet hladin zahrnutých ve výpočtu

Rychlostní rovnice 2 Přechody na vyšší hladinu (i < j)

Přechody na nižší hladinu (i > j)

- spontánní emise - radiační rekombinace

- stimulovaná absorpce / emise - fotoionizace a stimulovaná rekombinace

- srážková excitace - srážková ionizace

- srážková deexcitace - srážková rekombinace

- svazkové a netepelné elektronové srážky

- elektronový záchyt

- autoionizace

Radiační transport Intenzita záření je definovaná jako

energie , která je nesená zářením o frekvenci elementem povrchu pod úhlem v časovém intervalu

Rovnice radiačního transportu, je emisní koeficient nebo emisivita, je absorpční koeficient nebo opacita

Kódy Pořádají se NTLE Kinetics workshopy (

nlte.nist.gov/NLTE6/), s cílem nejen testování a porovnávání výkonu a přesnosti jednotlivých simulačních kódů, ale i ověřování výsledků simulace proti experimentům

Zaměřeno na různé prvky, v poslední době hlavně wolfram (tungsten), neboť to je materiál v blízkosti plazmatu v systému ITER a dalších zařízeních pro magnetickou fúzi a tudíž je jeho kinetika při vysokých teplotách středem pozornosti

NTLE-5 Workshop Santa Fe, New Mexico, November 2007 Modelován uhlík, argon, krypton,

wolfram, zlato a časově závislý případ uhlíku

FLYCHK http://www.nlte.nist.gov/FLY/ Vytvořen na filozofii „jednoduchý, ale rozumně

přesný“ Z atomové struktury počítá distribuci populace Obsahuje sety dat pro všechny ionizační stavy

atomů až do Statické i časově závislé případy Výstupem je soubor obsahující populaci všech

stavů jako funkci teploty a hustoty (nebo času), možný vstup pro generaci spektra kódem FLYSPEC

PrismSPECT http://www.prism-cs.com/Software/PrismSpect/PrismSPECT.htm

Kód využívající CR model Simulace atomových a radiačních vlastností

plazmatu Obsahuje GUI, set atomových dat až do Součástí je i vizualizační nástroj

LANL kódy http://aphysics2.lanl.gov/cgi-bin/ION/runlanl08d.pl LALN disponuje výkonnou výpočetní technikou, možné

dělat i náročné simulace, např. atom Au (2000) 100 000 možných konfigurací atomu, doba běhu ~100

hodin

Atomové databáze NIST Atomic Spectra Database

www.nist.gov/physlab/data/asd.cfm NIFS Atomic & Molecular Database

https://dbshino.nifs.ac.jp/ GENIE – General Internet Search Engine

for Atomic Data www-amdis.iaea.org/GENIE/ Vyhledává ve více databázích najednou

+++ Děkuji za pozornost +++

PDF verze (Adobe Acrobat Pro 9.0)cid-6d4417057e614e69.skydrive.live.com/self.aspx/.Public/atomic^_codes.pdfPowerpoint verze (MS PowerPoint 2010)cid-6d4417057e614e69.skydrive.live.com/self.aspx/.Public/atomic^_codes.pptx